JP4858685B2

JP4858685B2 - Ferroelectric memory and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4858685B2
Application number: JP2006071293A
Authority: JP
Inventors: 博明田村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007250776A

Description

本発明は、強誘電体メモリおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a ferroelectric memory and a method for manufacturing the same.

強誘電体メモリ装置（ＦｅＲＡＭ）は、低電圧および高速動作が可能な不揮発性メモリであり、メモリセルが１トランジスタ／１キャパシタ（１Ｔ／１Ｃ）で構成できるため、ＤＲＡＭなみの集積化が可能であることから、大容量不揮発性メモリとして期待されている。 A ferroelectric memory device (FeRAM) is a non-volatile memory capable of low voltage and high speed operation, and a memory cell can be composed of one transistor / one capacitor (1T / 1C), so that it can be integrated like a DRAM. Therefore, it is expected as a large-capacity nonvolatile memory.

強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体キャパシタの強誘電体特性を最大限に発揮させるには、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向性が極めて重要である。
特開２０００−２７７７０１号公報 In order to maximize the ferroelectric characteristics of the ferroelectric capacitor constituting the ferroelectric memory device, the crystal orientation of each layer constituting the ferroelectric capacitor is extremely important.
JP 2000-277701 A

本発明の目的は、強誘電体層の結晶配向性が良好に制御された強誘電体メモリおよびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a ferroelectric memory in which the crystal orientation of the ferroelectric layer is well controlled and a method for manufacturing the same.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法は、
（ａ）基体の上方にチタンを構成元素として含む第１の金属層を形成する工程と、
（ｂ）前記第１の金属層を窒化して窒素化合物からなる第１の配向制御層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の配向制御層の上方にチタンを構成元素として含む第２の金属層を形成する工程と、
（ｄ）前記第２の金属層を窒化して窒素化合物からなる第２の配向制御層を形成する工程と、
（ｅ）前記第２の配向制御層の上方に第１電極を形成する工程と、
（ｆ）前記第１電極の上方に強誘電体層を形成する工程と、
（ｇ）前記強誘電体層の上方に第２電極を形成する工程と、
を含む。 A method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention includes:
(A) forming a first metal layer containing titanium as a constituent element above the substrate;
(B) nitriding the first metal layer to form a first orientation control layer made of a nitrogen compound;
(C) forming a second metal layer containing titanium as a constituent element above the first orientation control layer;
(D) nitriding the second metal layer to form a second orientation control layer made of a nitrogen compound;
(E) forming a first electrode above the second alignment control layer;
(F) forming a ferroelectric layer above the first electrode;
(G) forming a second electrode above the ferroelectric layer;
including.

このように、第１の配向制御層および第２の配向制御層を形成することによって、優れた結晶配向の第１電極および強誘電体層を形成することができる。すなわち、本発明によれば、所望の結晶配向を有する強誘電体層を形成することができる。これにより、ヒステリシス特性に優れた強誘電体メモリを得ることができる。 Thus, by forming the first orientation control layer and the second orientation control layer, it is possible to form the first electrode and the ferroelectric layer having excellent crystal orientation. That is, according to the present invention, a ferroelectric layer having a desired crystal orientation can be formed. Thereby, a ferroelectric memory having excellent hysteresis characteristics can be obtained.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ａ）では、第１の金属層としてチタン層を形成し、
前記工程（ｂ）では、第１の配向制御層としてチタンの窒化物からなる層を形成することができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
In the step (a), a titanium layer is formed as the first metal layer,
In the step (b), a titanium nitride layer can be formed as the first orientation control layer.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ａ）では、第１の金属層としてチタンアルミニウム層を形成し、
前記工程（ｂ）では、第１の配向制御層としてチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる層を形成することができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
In the step (a), a titanium aluminum layer is formed as the first metal layer,
In the step (b), a layer made of nitride of titanium and aluminum can be formed as the first orientation control layer.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｂ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第１の金属層を加熱することにより窒化することができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
In the step (b), nitriding can be performed by heating the first metal layer in an atmosphere containing nitrogen.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｃ）では、第２の金属層としてチタン層を形成し、
前記工程（ｄ）では、第２の配向制御層としてチタンの窒化物からなる層を形成することができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
In the step (c), a titanium layer is formed as the second metal layer,
In the step (d), a layer made of nitride of titanium can be formed as the second orientation control layer.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｃ）では、第２の金属層としてチタンアルミニウム層を形成し、
前記工程（ｄ）では、第２の配向制御層としてチタンおよびアルミニウムの窒化物からなる層を形成することができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
In the step (c), a titanium aluminum layer is formed as the second metal layer,
In the step (d), a layer made of nitride of titanium and aluminum can be formed as the second orientation control layer.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｄ）では、窒素を含有する雰囲気で前記第２の金属層を加熱することにより窒化することができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
In the step (d), nitriding can be performed by heating the second metal layer in an atmosphere containing nitrogen.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ａ）の前に、アンモニアガスのプラズマを励起して、前記第１の金属層の形成領域の表面に、当該プラズマを照射することができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
Before the step (a), ammonia gas plasma can be excited to irradiate the surface of the formation region of the first metal layer with the plasma.

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記工程（ｄ）と（ｅ）の間に、前記第２の配向制御層の上方にバリア層を形成する工程をさらに含むことができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
A step of forming a barrier layer above the second orientation control layer may be further included between the steps (d) and (e).

本発明にかかる強誘電体メモリの製造方法において、
前記バリア層は、チタンの窒化物、またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。 In the method for manufacturing a ferroelectric memory according to the present invention,
The barrier layer may be a nitride of titanium or a nitride of titanium and aluminum.

本発明にかかる強誘電体メモリは、
基体の上方に形成されたチタンを構成元素として含む窒素化合物からなる第１の配向制御層と、
前記第１の配向制御層の上面に形成されたチタンを構成元素として含む窒素化合物からなる第２の配向制御層と、
前記第２の配向制御層の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に形成された第２電極と、
を含む。 A ferroelectric memory according to the present invention includes:
A first orientation control layer made of a nitrogen compound containing titanium as a constituent element formed above the substrate;
A second alignment control layer made of a nitrogen compound containing titanium as a constituent element formed on the upper surface of the first alignment control layer;
A first electrode formed above the second orientation control layer;
A ferroelectric layer formed above the first electrode;
A second electrode formed above the ferroelectric layer;
including.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
絶縁層と、
前記絶縁層を貫通するコンタクトホールと、
前記コンタクトホールに形成された導電層と、をさらに含み、
前記第１の配向制御層は、前記導電層の上方に形成されていることができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
An insulating layer;
A contact hole penetrating the insulating layer;
A conductive layer formed in the contact hole, and
The first orientation control layer may be formed above the conductive layer.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第２の配向制御層と前記第１電極との間に形成されたバリア層をさらに含むことができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
A barrier layer formed between the second orientation control layer and the first electrode may be further included.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記第１の配向制御層および前記第２の配向制御層に含まれる結晶は、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶の配向と等しい配向を有することができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The first orientation control layer, the second orientation control layer, the first electrode, and the ferroelectric layer are crystalline;
The crystals contained in the first orientation control layer and the second orientation control layer may have an orientation equal to the orientation of the crystals contained in the first electrode and the ferroelectric layer.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、前記第１電極、および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向を有することができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The crystals contained in the first orientation control layer, the second orientation control layer, the first electrode, and the ferroelectric layer may have a (111) orientation.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第２の配向制御層に含まれる結晶の（１１１）配向成分は、前記第１の配向制御層に含まれる結晶の（１１１）配向成分より多いことができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The (111) orientation component of the crystal contained in the second orientation control layer can be greater than the (111) orientation component of the crystal contained in the first orientation control layer.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第１の配向制御層および前記第２の配向制御層は、チタンの窒化物、またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The first orientation control layer and the second orientation control layer may be a nitride of titanium or a nitride of titanium and aluminum.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、前記バリア層、前記第１電極、および前記強誘電体層は、結晶質であり、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、および前記バリア層に含まれる結晶は、前記第１電極および前記強誘電体層に含まれる結晶の配向と等しい配向を有することができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The first orientation control layer, the second orientation control layer, the barrier layer, the first electrode, and the ferroelectric layer are crystalline;
The crystals contained in the first orientation control layer, the second orientation control layer, and the barrier layer may have an orientation equal to the orientation of the crystals contained in the first electrode and the ferroelectric layer. .

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第１の配向制御層、前記第２の配向制御層、前記バリア層、前記第１電極、および前記強誘電体層に含まれる結晶は、（１１１）配向を有することができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The crystals contained in the first orientation control layer, the second orientation control layer, the barrier layer, the first electrode, and the ferroelectric layer may have a (111) orientation.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記第１の配向制御層は、チタンの窒化物であり、
前記バリア層は、チタンおよびアルミニウムの窒化物であることができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The first orientation control layer is a nitride of titanium,
The barrier layer may be a nitride of titanium and aluminum.

本発明にかかる強誘電体メモリにおいて、
前記導電層と電気的に接続されたスイッチングトランジスタをさらに含むことができる。 In the ferroelectric memory according to the present invention,
The semiconductor device may further include a switching transistor electrically connected to the conductive layer.

以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.

１．強誘電体メモリ
図１は、本実施の形態の強誘電体メモリ１００を模式的に示す断面図である。図１に示すように、強誘電体メモリ１００は、強誘電体キャパシタ３０と、第１の配向制御層１２と、第２の配向制御層１１２と、絶縁層２６と、プラグ２０と、強誘電体キャパシタ３０のスイッチングトランジスタ１８とを含む。なお、本実施形態においては、１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルについて説明するが、本発明が適用されるのは１Ｔ／１Ｃ型のメモリセルに限定されない。 1. Ferroelectric Memory FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a ferroelectric memory 100 of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the ferroelectric memory 100 includes a ferroelectric capacitor 30, a first orientation control layer 12, a second orientation control layer 112, an insulating layer 26, a plug 20, and a ferroelectric. And the switching transistor 18 of the body capacitor 30. Note that in this embodiment, a 1T / 1C type memory cell is described, but the present invention is not limited to a 1T / 1C type memory cell.

トランジスタ１８は、ゲート絶縁層１１と、ゲート絶縁層１１上に設けられたゲート導電層１３と、ソース／ドレイン領域である第１不純物領域１７および第２不純物領域１９とを含む。また、プラグ（導電層）２０はスイッチングトランジスタ１８と電気的に接続されている。強誘電体キャパシタ３０とトランジスタ１８との間には絶縁層２６が形成されている。絶縁層２６の材質は、特に限定されないが、たとえば酸化シリコンからなることができる。 The transistor 18 includes a gate insulating layer 11, a gate conductive layer 13 provided on the gate insulating layer 11, and a first impurity region 17 and a second impurity region 19 which are source / drain regions. The plug (conductive layer) 20 is electrically connected to the switching transistor 18. An insulating layer 26 is formed between the ferroelectric capacitor 30 and the transistor 18. The material of the insulating layer 26 is not particularly limited, but can be made of, for example, silicon oxide.

強誘電体キャパシタ３０は、絶縁層２６に設けられたプラグ２０の上方に設けられている。このプラグ２０は、第２不純物領域１９の上方に形成されている。プラグ２０は、絶縁層２６を貫通するコンタクトホール２２内を埋めるように形成されている。プラグ２０は例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン、ニッケルなどの高融点金属からなり、素子の信頼性の観点からタングステンからなることが好ましい。 The ferroelectric capacitor 30 is provided above the plug 20 provided in the insulating layer 26. The plug 20 is formed above the second impurity region 19. The plug 20 is formed so as to fill the contact hole 22 that penetrates the insulating layer 26. The plug 20 is made of, for example, a refractory metal such as tungsten, molybdenum, tantalum, titanium, or nickel, and is preferably made of tungsten from the viewpoint of device reliability.

また強誘電体メモリ１００は、コンタクトホール２２の側面および底面に形成された第１バリア層２９と、プラグ２０上に形成された第２バリア層２３とを、コンタクトホール２２内にさらに含む。プラグ２０は、第１バリア層２９と第２バリア層２３とによって囲まれている。 The ferroelectric memory 100 further includes a first barrier layer 29 formed on the side and bottom surfaces of the contact hole 22 and a second barrier layer 23 formed on the plug 20 in the contact hole 22. The plug 20 is surrounded by the first barrier layer 29 and the second barrier layer 23.

第１バリア層２９は、コンタクトホール２２の底面および側面に形成される。第１バリア層２９は、導電性材料からなることができ、たとえば、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）のうち少なくとも一層からなることができる。この第１バリア層２９によって、プラグ２０の密着性を向上させ、また、プラグ２０の拡散および酸化を防止することができ、ひいてはプラグ２０の低抵抗化を図ることができる。 The first barrier layer 29 is formed on the bottom and side surfaces of the contact hole 22. The first barrier layer 29 can be made of a conductive material, and can be made of, for example, at least one of titanium nitride (TiN) or titanium and aluminum nitride (TiAlN). The first barrier layer 29 can improve the adhesion of the plug 20, can prevent the plug 20 from diffusing and oxidizing, and thus can reduce the resistance of the plug 20.

第２バリア層２３は、プラグ２０の上面に形成される。第２バリア層２３は、導電性材料からなることができ、たとえば、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）のうち少なくとも一層からなることができる。 The second barrier layer 23 is formed on the upper surface of the plug 20. The second barrier layer 23 can be made of a conductive material, and can be made of, for example, at least one of titanium nitride (TiN) or titanium and aluminum nitride (TiAlN).

第１の配向制御層１２は、絶縁層２６上および第２バリア層２３上に形成されている。この第１の配向制御層１２は、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）からなり、なかでも配向制御性の高いＴｉＮからなることが好ましい。なお第１の配向制御層１２は、少なくとも一部が結晶質であることができる。 The first orientation control layer 12 is formed on the insulating layer 26 and the second barrier layer 23. The first orientation control layer 12 is made of titanium nitride (TiN) or titanium and aluminum nitride (TiAlN), and is preferably made of TiN having high orientation controllability. Note that at least a part of the first orientation control layer 12 may be crystalline.

第２の配向制御層１１２は、第１の配向制御層１２上に形成されている。この第２の配向制御層１１２は、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）からなる。なお第２の配向制御層１１２は、少なくとも一部が結晶質であることができる。 The second alignment control layer 112 is formed on the first alignment control layer 12. The second orientation control layer 112 is made of titanium nitride (TiN) or titanium and aluminum nitride (TiAlN). Note that at least part of the second orientation control layer 112 may be crystalline.

強誘電体キャパシタ３０は、第２の配向制御層１１２の上に設けられた第１電極３２と、第１電極３２の上に設けられた強誘電体層３４と、強誘電体層３４の上に設けられた第２電極３６とを含む。第１電極３２、および強誘電体層３４は、少なくとも一部が結晶質であることができる。第１電極３２はイリジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、およびイリジウムから選ばれる少なくとも１種の金属からなることができ、好ましくは白金またはイリジウムからなり、より好ましくは素子の信頼性の高いイリジウムからなる。また、第１電極３２は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。 The ferroelectric capacitor 30 includes a first electrode 32 provided on the second orientation control layer 112, a ferroelectric layer 34 provided on the first electrode 32, and the ferroelectric layer 34. And a second electrode 36 provided on the substrate. The first electrode 32 and the ferroelectric layer 34 may be at least partially crystalline. The first electrode 32 can be made of at least one metal selected from iridium, platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, and iridium, preferably made of platinum or iridium, more preferably high reliability of the device. Made of iridium. The first electrode 32 may be a single layer film or a laminated multilayer film.

強誘電体層３４は、強誘電体物質を含む。この強誘電体物質は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、Ａ_１−ｂＢ_１−ａＸ_ａＯ_３の一般式で示されることができる。Ａは、Ｐｂを含む。Ｂは、ＺｒおよびＴｉのうちの少なくとも１つからなる。Ｘは、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷのうちの少なくとも１つからなる。強誘電体層３４に含まれる強誘電体物質としては、強誘電体層として使用可能な公知の材料を使用することができ、例えば、（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）（ＰＺＴ）、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９（ＳＢＴ）、（Ｂｉ，Ｌａ）_４Ｔｉ_３Ｏ_１２（ＢＬＴ）等のペロブスカイト型酸化物やビスマス層状化合物が挙げられる。中でも、強誘電体層３４の材料としてはＰＺＴが好ましい。 The ferroelectric layer 34 includes a ferroelectric material. This ferroelectric material has a perovskite crystal structure and can be represented by the general formula A _1-b B _1-a X _a O ₃ . A includes Pb. B consists of at least one of Zr and Ti. X consists of at least one of V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W. As the ferroelectric substance contained in the ferroelectric layer 34, a known material that can be used as the ferroelectric layer can be used. For example, (Pb (Zr, Ti) O ₃ ) (PZT), SrBi can be used. Examples thereof include perovskite oxides such as ₂ Ta ₂ O ₉ (SBT) and (Bi, La) ₄ Ti ₃ O ₁₂ (BLT) and bismuth layered compounds. Among these, PZT is preferable as the material of the ferroelectric layer 34.

また、強誘電体層３４としてＰＺＴを用いる場合、より大きな自発分極量を獲得するため、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多いことがより好ましい。このような組成のＰＺＴは正方晶に属し、その自発分極軸はｃ軸となるが、ｃ軸と直交するａ軸配向成分が同時に存在してしまうことがある。このａ軸配向成分は分極反転に寄与しないため、ａ軸配向成分の存在によって素子の強誘電特性が損なわれるおそれがある。この場合、強誘電体層３４に用いられるＰＺＴの結晶配向を（１１１）配向にすることにより、ａ軸配向成分を分極反転に寄与させることができる。よって、強誘電体層３４がＰＺＴからなり、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多い場合、ヒステリシス特性が良好である点で、ＰＺＴの結晶配向が（１１１）配向であるのが好ましい。 Further, when PZT is used as the ferroelectric layer 34, it is more preferable that the content of titanium in the PZT is larger than the content of zirconium in order to obtain a larger amount of spontaneous polarization. PZT having such a composition belongs to a tetragonal crystal, and its spontaneous polarization axis is the c-axis, but an a-axis orientation component orthogonal to the c-axis may exist at the same time. Since the a-axis alignment component does not contribute to polarization reversal, the presence of the a-axis alignment component may impair the ferroelectric characteristics of the device. In this case, by making the crystal orientation of PZT used for the ferroelectric layer 34 the (111) orientation, the a-axis orientation component can contribute to the polarization inversion. Therefore, when the ferroelectric layer 34 is made of PZT and the titanium content in the PZT is larger than the zirconium content, the crystal orientation of the PZT is preferably the (111) orientation in terms of good hysteresis characteristics. .

第２電極３６は、第１電極３２に使用可能な材料として例示した上記材料からなることができ、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケルなどからなることができる。また、第２電極３６は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。好ましくは、第２電極３６は、白金、あるいはイリジウムオキサイドとイリジウムとの積層膜からなる。 The second electrode 36 can be made of the above-described materials exemplified as materials usable for the first electrode 32, or can be made of aluminum, silver, nickel, or the like. The second electrode 36 may be a single layer film or a laminated multilayer film. Preferably, the second electrode 36 is made of platinum or a laminated film of iridium oxide and iridium.

ここで第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２が有する結晶の配向性について説明する。第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、結晶質であり、等しい配向を有することができる。 Here, the crystal orientation of the first orientation control layer 12 and the second orientation control layer 112 will be described. The first orientation control layer 12 and the second orientation control layer 112 are crystalline and can have the same orientation.

本実施の形態によれば、第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、ともにチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であるため、（１１１）配向を有することができる。第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、後述するように、チタンを構成元素として含む金属層を窒化して得られるが、この金属層は（００１）配向の自己配向性を有する。よって、第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、（００１）配向の金属層を窒化して得られる（１１１）配向の結晶を有することができる。 According to the present embodiment, since both the first orientation control layer 12 and the second orientation control layer 112 are made of titanium nitride or titanium and aluminum nitride, they can have (111) orientation. . As will be described later, the first orientation control layer 12 and the second orientation control layer 112 are obtained by nitriding a metal layer containing titanium as a constituent element. This metal layer has a (001) -oriented self-orientation property. Have Therefore, the first orientation control layer 12 and the second orientation control layer 112 can have (111) -oriented crystals obtained by nitriding a (001) -oriented metal layer.

第１の配向制御層１２および第２の配向制御層１１２は、（１１１）配向の結晶の他に、（１１１）配向以外の配向の結晶を有する。特に第１の配向制御層１２は、プラグ２０上においてはこのプラグ２０の結晶配向に自己配向性を阻害される場合があり、（１１１）配向の結晶の割合を大きくすることは困難である。一方、第２の配向制御層１１２は、第１の配向制御層１２上に形成されているため、少なくとも（１１１）配向の結晶の上では、この配向の影響を受けて（００１）配向の金属層が形成される。また（１１１）配向以外の結晶の上では、金属層は格子マッチングしないため、界面エネルギーが最低となる最密充填の面方位、すなわち自己配向面である（００１）に配向することができる。したがって、第２の配向制御層１１２は、第１の配向制御層１２より多くの（１１１）配向率を示すことができる。 The first orientation control layer 12 and the second orientation control layer 112 have crystals with orientations other than (111) orientation in addition to (111) orientation crystals. In particular, in the first orientation control layer 12, the self-orientation may be hindered by the crystal orientation of the plug 20 on the plug 20, and it is difficult to increase the proportion of (111) -oriented crystals. On the other hand, since the second orientation control layer 112 is formed on the first orientation control layer 12, at least on the (111) oriented crystal, the (001) oriented metal is affected by this orientation. A layer is formed. Further, since the metal layer is not lattice-matched on crystals other than the (111) orientation, it can be oriented in the closest packed plane orientation with the lowest interface energy, that is, (001), which is a self-oriented plane. Therefore, the second orientation control layer 112 can exhibit a higher (111) orientation ratio than the first orientation control layer 12.

なお、第２の配向制御層１１２は、複数層形成されてもよい。第２の配向制御層１１２が複数層形成されることによって、最上面の第２の配向制御層１１２における（１１１）配向の結晶を増加させることができる。 Note that a plurality of the second alignment control layers 112 may be formed. By forming a plurality of the second orientation control layers 112, the (111) -oriented crystals in the second orientation control layer 112 on the uppermost surface can be increased.

このように、強誘電体メモリ１００が第１電極３２の下に、優れた結晶質の第２の配向制御層１１２を有することにより、良好な結晶質の第１電極３２を得ることができる。即ち、第１電極３２は、第２の配向制御層１１２上に形成されているため、その材質が結晶質である場合に第２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。本実施の形態よれば、第２の配向制御層１１２は、チタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であり、（１１１）配向を有する。よって、第１電極３２の結晶配向を容易に（１１１）配向にすることができる。即ち、第２の配向制御層１１２が良好な結晶質の（１１１）配向を有することにより、第１電極３２についても良好な結晶質の（１１１）配向にすることができる。 As described above, since the ferroelectric memory 100 has the excellent crystalline second orientation control layer 112 under the first electrode 32, the excellent crystalline first electrode 32 can be obtained. That is, since the first electrode 32 is formed on the second orientation control layer 112, the second electrode 32 is affected by the crystal orientation of the second orientation control layer 112 when the material thereof is crystalline. The orientation control layer 112 can have the same orientation. According to the present embodiment, the second orientation control layer 112 is a nitride of titanium or a nitride of titanium and aluminum and has a (111) orientation. Therefore, the crystal orientation of the first electrode 32 can be easily set to the (111) orientation. That is, since the second orientation control layer 112 has a good crystalline (111) orientation, the first electrode 32 can also have a good crystalline (111) orientation.

強誘電体層３４は、第１電極３２上に形成されているため、その材質が結晶質である場合に第１電極３２の結晶配向の影響を受けて、第１電極３２と等しい配向を有することができる。即ち、強誘電体層３４は、第２の配向制御層１１２の上方に形成されているため、第２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。第１電極３２は、たとえば白金やイリジウム等の上述した材質からなる場合に（１１１）配向を有することができる。よって、強誘電体層３４の結晶配向を容易に（１１１）配向にすることができる。即ち、第２の配向制御層１１２、および第１電極３２が良好な結晶質の（１１１）配向を有することにより、強誘電体層３４についても良好な結晶質の（１１１）配向にすることができる。 Since the ferroelectric layer 34 is formed on the first electrode 32, the ferroelectric layer 34 has the same orientation as the first electrode 32 under the influence of the crystal orientation of the first electrode 32 when the material is crystalline. be able to. That is, since the ferroelectric layer 34 is formed above the second orientation control layer 112, it is equal to the second orientation control layer 112 under the influence of the crystal orientation of the second orientation control layer 112. Can have an orientation. The first electrode 32 can have a (111) orientation when made of the above-described materials such as platinum and iridium. Therefore, the crystal orientation of the ferroelectric layer 34 can be easily set to the (111) orientation. That is, when the second orientation control layer 112 and the first electrode 32 have a good crystalline (111) orientation, the ferroelectric layer 34 can also have a good crystalline (111) orientation. it can.

強誘電体層３４は、上述したように、ペロブスカイト型酸化物やビスマス層状化合物からなることができ、その結晶配向が（１１１）配向であることが望ましい。本実施の形態において強誘電体層３４は、第２の配向制御層１１２および第１電極３２の上方に形成されることによって、容易に（１１１）配向を有することができる。よって、強誘電体メモリ１００は、優れたヒステリシス特性を得ることができる。 As described above, the ferroelectric layer 34 can be made of a perovskite oxide or a bismuth layered compound, and its crystal orientation is preferably (111) orientation. In the present embodiment, the ferroelectric layer 34 can easily have the (111) orientation by being formed above the second orientation control layer 112 and the first electrode 32. Therefore, the ferroelectric memory 100 can obtain excellent hysteresis characteristics.

２．強誘電体メモリの製造方法
次に、図１に示す強誘電体メモリ１００の製造方法について、図面を参照して説明する。図２〜図１３はそれぞれ、図１に示される強誘電体メモリ１００の一製造工程を模式的に示す断面図である。 2. Manufacturing Method of Ferroelectric Memory Next, a manufacturing method of the ferroelectric memory 100 shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. 2 to 13 are cross-sectional views schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory 100 shown in FIG.

まず、図２に示すように、トランジスタ１８および素子分離領域１６を形成する。より具体的には、半導体基板１０にトランジスタ１８、素子分離領域１６を形成し、その上に絶縁層２６を積層する。トランジスタ１８、素子分離領域１６、および絶縁層２６は、公知の方法を用いて形成することができる。 First, as shown in FIG. 2, the transistor 18 and the element isolation region 16 are formed. More specifically, the transistor 18 and the element isolation region 16 are formed on the semiconductor substrate 10, and the insulating layer 26 is stacked thereon. The transistor 18, the element isolation region 16, and the insulating layer 26 can be formed using a known method.

次に、図３に示すように、絶縁層２６を貫通するようにコンタクトホール２２を設ける。コンタクトホール２２は、たとえば第２不純物領域１９上に設けることができる。フォトリソグラフィ技術を適用してコンタクトホール２２を形成してもよい。具体的には、絶縁層２６の一部を開口するようにレジスト層（図示せず）を形成し、レジスト層の開口領域をエッチングすることによってコンタクトホール２２を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 3, a contact hole 22 is provided so as to penetrate the insulating layer 26. The contact hole 22 can be provided, for example, on the second impurity region 19. The contact hole 22 may be formed by applying a photolithography technique. Specifically, a contact layer 22 can be formed by forming a resist layer (not shown) so as to open a part of the insulating layer 26 and etching the opening region of the resist layer.

次に、図４に示すように、コンタクトホール２２の側面および底面と、絶縁層２６上とに連続的に第１バリア層２９ａを形成する。第１バリア層２９ａは、チタンの窒化物（たとえばＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）からなることができ、反応性スパッタリング等の公知の方法によって形成されることができる。 Next, as shown in FIG. 4, a first barrier layer 29 a is formed continuously on the side and bottom surfaces of the contact hole 22 and on the insulating layer 26. The first barrier layer 29a may be made of titanium nitride (eg, TiN) or titanium and aluminum nitride (eg, TiAlN), and may be formed by a known method such as reactive sputtering.

次いで、図５に示すように、コンタクトホール２２に導電性材料を埋め込むことにより、導電層２０ａを形成する。導電層２０ａの埋め込みは例えば、ＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて行なうことができる。 Next, as shown in FIG. 5, the conductive layer 20 a is formed by embedding a conductive material in the contact hole 22. The embedding of the conductive layer 20a can be performed using, for example, a CVD method or a sputtering method.

次に、図６に示すように、導電層２０ａおよび第１バリア層２９ａの一部を研磨し、除去することによってプラグ２０および第１バリア層２９を形成する。研磨工程では、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａl ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｍｅｎｔ）法による工程を適用することができる。この研磨工程により、絶縁層２６を露出させることができる。絶縁層２６が第１バリア層２９ａより研磨されにくい材質からなる場合には、図６に示すようにコンタクトホール２２の内部にリセス（凹部）が発生することがある。このようにリセスが発生した場合には、図７に示すように、第２バリア層２３をプラグ２０上に形成してもよい。これにより絶縁層２６からプラグ２０の形成領域まで連続的に平坦化することができる。第２バリア層２３は、チタンの窒化物（たとえばＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）からなることができ、反応性スパッタリング等の公知の方法によって形成されることができる。このようにして、基体の一例としての、トランジスタ１８、プラグ２０、絶縁層２６等を形成することができる。 Next, as shown in FIG. 6, the plug 20 and the first barrier layer 29 are formed by polishing and removing a part of the conductive layer 20a and the first barrier layer 29a. In the polishing process, a process by a chemical mechanical polishing (CMP) method can be applied. By this polishing process, the insulating layer 26 can be exposed. When the insulating layer 26 is made of a material that is harder to polish than the first barrier layer 29a, a recess (concave portion) may occur inside the contact hole 22 as shown in FIG. When the recess occurs in this way, the second barrier layer 23 may be formed on the plug 20 as shown in FIG. As a result, planarization can be continuously performed from the insulating layer 26 to the plug 20 formation region. The second barrier layer 23 can be made of a nitride of titanium (for example, TiN) or a nitride of titanium and aluminum (for example, TiAlN), and can be formed by a known method such as reactive sputtering. In this manner, the transistor 18, the plug 20, the insulating layer 26, and the like, which are examples of the substrate, can be formed.

次に、第１の配向制御層１２ａ（図１０参照）を形成する。まず、図８に示すように、アンモニアガスのプラズマを励起して、第１の配向制御層１２ａが形成される領域の表面１４ｓに、当該プラズマを照射する（以下、「アンモニアプラズマ処理」とする）。このアンモニアプラズマ処理により、表面１４ｓが−ＮＨで終端され、後述する工程で第１の金属層１４ａを成膜する際に、第１の金属層１４ａを構成する原子が表面１４ｓ上でマイグレーションし易くなる。その結果、第１の金属層１４ａの構成原子がその自己配向性に起因して、規則的な配列（ここでは最密充填）になるように促進され、結晶配向性に優れた第１の金属層１４ａを成膜することができると推測される。 Next, the first orientation control layer 12a (see FIG. 10) is formed. First, as shown in FIG. 8, the plasma of ammonia gas is excited to irradiate the surface 14s of the region where the first alignment control layer 12a is formed (hereinafter referred to as “ammonia plasma treatment”). ). By this ammonia plasma treatment, the surface 14 s is terminated with —NH, and when the first metal layer 14 a is formed in a process described later, atoms constituting the first metal layer 14 a easily migrate on the surface 14 s. Become. As a result, the first metal layer 14a is promoted to have a regular arrangement (here, closest packing) due to its self-orientation, and the first metal having excellent crystal orientation. It is assumed that the layer 14a can be formed.

次いで、図９に示すように、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる第１の金属層１４ａを成膜する。この第１の金属層１４ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。また、第１の金属層１４ａを成膜する際の基板温度は、その材質に応じて適宜選択が可能であり、例えば、不活性雰囲気（例えば、アルゴン）中で、スパッタリング法により第１の金属層１４ａを形成することができる。この場合、第１の金属層１４ａを成膜する際の基板温度は、第１の配向制御層１２が（１１１）配向を有する点で、室温から４００℃の間であることが好ましく、１００〜４００℃の間がより好ましく、１００〜３００℃の間がさらに好ましい。 Next, as shown in FIG. 9, a first metal layer 14a made of a titanium layer or a titanium aluminum layer is formed. The film formation method for the first metal layer 14a can be appropriately selected depending on the material, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method. Further, the substrate temperature at the time of forming the first metal layer 14a can be appropriately selected according to the material thereof. For example, the first metal is formed by sputtering in an inert atmosphere (for example, argon). Layer 14a can be formed. In this case, the substrate temperature when forming the first metal layer 14a is preferably between room temperature and 400 ° C. in that the first orientation control layer 12 has (111) orientation, It is more preferably between 400 ° C. and even more preferably between 100 and 300 ° C.

ここで、（１１１）配向性を有する第１の配向制御層１２ａが得られる理由としては、以下のとおりである。まず第１の金属層１４ａを構成するＴｉまたはＴｉＡｌにおいてはその自己配向性が強く発現する。第１の金属層１４ａは、この自己配向性により（００１）配向の結晶を有する。このため、後述する窒化工程により、第１の金属層１４ａのＴｉまたはＴｉＡｌが（００１）配向を有する状態のまま、その隙間に窒素原子が入り込み、（１１１）配向を有する第１の配向制御層１２ａを得ることができると推測される。なお、チタン層およびチタンアルミニウム層においては、チタンの割合が大きい程、自己配向性が高いため、チタン層を適用することによって最も配向性の優れた第１の配向制御層１２を得ることができ、ひいては強誘電体層３４の配向性を良好にすることができる。また、上述したように、アンモニアプラズマ処理を施した後にチタン層またはチタンアルミニウム層からなる第１の金属層１４ａを成膜することにより、配向性に優れた第１の金属層１４ａを得ることができる。 Here, the reason why the first orientation control layer 12a having (111) orientation is obtained is as follows. First, in Ti or TiAl constituting the first metal layer 14a, the self-orientation is strongly developed. The first metal layer 14a has (001) -oriented crystals due to this self-orientation. For this reason, the first orientation control layer having a (111) orientation in which nitrogen atoms enter the gap while Ti or TiAl of the first metal layer 14a has a (001) orientation by a nitriding step described later. It is estimated that 12a can be obtained. In addition, in the titanium layer and the titanium aluminum layer, the higher the proportion of titanium, the higher the self-orientation property. Therefore, by applying the titanium layer, the first orientation control layer 12 having the best orientation can be obtained. As a result, the orientation of the ferroelectric layer 34 can be improved. Further, as described above, the first metal layer 14a having excellent orientation can be obtained by forming the first metal layer 14a made of a titanium layer or a titanium aluminum layer after the ammonia plasma treatment. it can.

次いで、図１０に示すように、第１の金属層１４ａを窒化して、窒化物からなる結晶質の第１の配向制御層１２ａを形成する。第１の金属層１４ａの窒化方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、窒素を含む雰囲気中で第１の金属層１４ａをアニールすることにより、第１の金属層１４ａを窒化する方法が挙げられる。窒素を含む雰囲気としては、アンモニアあるいはそのプラズマを含む雰囲気であってもよい。ここで、アニールは第１の金属層１４ａの融点未満で行なうことが好ましい。この温度範囲でアニールを行なうことにより、第１の金属層１４ａの結晶配向を保持した状態で、第１の金属層１４ａを構成する結晶質の結晶格子の隙間に窒素原子を導入することができる。アニールは、３５０〜６５０℃で行なうのがより好ましく、５００〜６５０℃で行なうのがさらに好ましい。これにより、第１の配向制御層１２ａを得ることができる。 Next, as shown in FIG. 10, the first metal layer 14a is nitrided to form a crystalline first orientation control layer 12a made of nitride. The nitridation method of the first metal layer 14a can be appropriately selected according to the material of the first metal layer 14a. For example, the first metal layer 14a is annealed in an atmosphere containing nitrogen, whereby the first metal layer 14a is annealed. The method of nitriding 14a is mentioned. The atmosphere containing nitrogen may be an atmosphere containing ammonia or plasma thereof. Here, the annealing is preferably performed below the melting point of the first metal layer 14a. By annealing in this temperature range, nitrogen atoms can be introduced into the gaps between the crystalline crystal lattices constituting the first metal layer 14a while maintaining the crystal orientation of the first metal layer 14a. . The annealing is more preferably performed at 350 to 650 ° C, and further preferably performed at 500 to 650 ° C. Thereby, the first orientation control layer 12a can be obtained.

ここで第１の金属層１４ａがチタンおよびアルミニウムを含む場合、第１の配向制御層１２ａは、チタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）であることができ、第１の金属層１４ａがチタンを含む場合（例えばＴｉ）、第１の配向制御層１２ａは、チタンの窒化物（例えばＴｉＮ）であることができる。ＴｉおよびＴｉＡｌは六方晶に属し、（００１）配向である。また、この第１の金属層１４ａを窒化して得られた第１の配向制御層１２ａは面心立方晶のＴｉＮまたはＴｉＡｌＮからなり、ＴｉＮおよびＴｉＡｌＮは、原料であるＴｉまたはＴｉＡｌ（第１の金属層１４ａ）の配向性に影響されて、（１１１）配向となる。 Here, when the first metal layer 14a includes titanium and aluminum, the first orientation control layer 12a can be a nitride of titanium and aluminum (for example, TiAlN), and the first metal layer 14a includes titanium. When included (for example, Ti), the first alignment control layer 12a can be a nitride of titanium (for example, TiN). Ti and TiAl belong to hexagonal crystals and have (001) orientation. Further, the first orientation control layer 12a obtained by nitriding the first metal layer 14a is made of face-centered cubic TiN or TiAlN, and TiN and TiAlN are Ti or TiAl (the first material) The (111) orientation is affected by the orientation of the metal layer 14a).

次に、第２の配向制御層１１２ａ（図１２参照）を形成する。まず、図１１に示すように、チタン層またはチタンアルミニウム層からなる第２の金属層１１４ａを成膜する。この第２の金属層１１４ａの成膜方法としては、上述した第１の金属層１４ａと同様の成膜方法を適用することができる。第１の金属層１４ａと同様にここで成膜された第２の金属層１１４ａは、その構成元素であるＴｉまたはＴｉＡｌが自己配向性を強く発現し、かつ（１１１）配向を有する配向制御層１２ａの結晶配向の影響を受けるため、（００１）配向の結晶を有する。 Next, the second orientation control layer 112a (see FIG. 12) is formed. First, as shown in FIG. 11, a second metal layer 114a made of a titanium layer or a titanium aluminum layer is formed. As a film formation method for the second metal layer 114a, a film formation method similar to that for the first metal layer 14a described above can be applied. Similar to the first metal layer 14a, the second metal layer 114a formed here is an orientation control layer in which the constituent element Ti or TiAl strongly expresses self-orientation and has (111) orientation. Since it is affected by the crystal orientation of 12a, it has (001) -oriented crystals.

次いで、図１２に示すように、第２の金属層１１４ａを窒化して、窒化物からなる結晶質の第２の配向制御層１１２ａを形成する。第２の金属層１１４ａの窒化方法としては、上述した第１の金属層１４ａと同様の窒化方法を適用することができる。 Next, as shown in FIG. 12, the second metal layer 114a is nitrided to form a crystalline second orientation control layer 112a made of nitride. As the nitriding method of the second metal layer 114a, the same nitriding method as that of the first metal layer 14a described above can be applied.

ここで第２の金属層１１４ａがチタンおよびアルミニウムを含む場合、第２の配向制御層１１２ａは、チタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）であることができ、第２の金属層１１４ａがチタンを含む場合（例えばＴｉ）、第２の配向制御層１１２ａは、チタンの窒化物（例えばＴｉＮ）であることができる。ここで第２の配向制御層１１２ａにおけるＴｉＮおよびＴｉＡｌＮは、原料であるＴｉまたはＴｉＡｌ（第１の金属層１４ａ）の配向性に影響されて、（１１１）配向となる。 Here, when the second metal layer 114a includes titanium and aluminum, the second orientation control layer 112a can be a nitride of titanium and aluminum (for example, TiAlN), and the second metal layer 114a includes titanium. When included (for example, Ti), the second orientation control layer 112a can be a nitride of titanium (for example, TiN). Here, TiN and TiAlN in the second orientation control layer 112a are affected by the orientation of the raw material Ti or TiAl (first metal layer 14a) and become (111) orientation.

以上の第２の配向制御層１１２ａの形成工程は、複数回繰り返し行ってもよい。繰り返し行うことにより、複数層の第２の配向制御層１１２ａが形成される。複数層の第２の配向制御層１１２ａにおいては、上方にいくにつれて結晶配向性に優れた第２の配向制御層１１２ａを得ることができる。 The above formation process of the second alignment control layer 112a may be repeated a plurality of times. By repeating the process, a plurality of second alignment control layers 112a are formed. In the plurality of second orientation control layers 112a, the second orientation control layer 112a having excellent crystal orientation can be obtained in the upward direction.

次に、図１３に示すように、第２の配向制御層１１２ａ上に第１電極３２ａを形成する。ここで、第１電極３２ａを結晶性の第２の配向制御層１１２ａ上に形成することにより、第２の配向制御層１１２ａの結晶配向性を第１電極３２ａに反映させ、第１電極３２ａの結晶性を著しく向上させることができる。本実施の形態では、第２の配向制御層１１２ａの結晶配向が（１１１）配向であるため、第１電極３２ａの少なくとも一部を、（１１１）配向を有する結晶質に形成することができる。 Next, as shown in FIG. 13, the first electrode 32a is formed on the second alignment control layer 112a. Here, by forming the first electrode 32a on the crystalline second orientation control layer 112a, the crystal orientation of the second orientation control layer 112a is reflected in the first electrode 32a, and the first electrode 32a Crystallinity can be significantly improved. In the present embodiment, since the crystal orientation of the second orientation control layer 112a is the (111) orientation, at least part of the first electrode 32a can be formed in a crystalline material having the (111) orientation.

第１電極３２ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法を適用することができる。 A method for forming the first electrode 32a can be selected as appropriate according to the material of the first electrode 32a. For example, a sputtering method, a vacuum evaporation method, or a CVD method can be applied.

次いで、図１３に示すように、第１電極３２ａ上に強誘電体層３４ａを形成する。ここで、強誘電体層３４ａを第１電極３２ａ上に形成することにより、第１電極３２ａの結晶配向性を強誘電体層３４ａに反映させることができる。本実施の形態では、第１電極３２ａの少なくとも一部が（１１１）配向を有する結晶質であるため、強誘電体層３４ａを（１１１）配向に形成することができる。 Next, as shown in FIG. 13, a ferroelectric layer 34a is formed on the first electrode 32a. Here, by forming the ferroelectric layer 34a on the first electrode 32a, the crystal orientation of the first electrode 32a can be reflected in the ferroelectric layer 34a. In the present embodiment, since at least a part of the first electrode 32a is crystalline having (111) orientation, the ferroelectric layer 34a can be formed in (111) orientation.

強誘電体層３４ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、溶液塗布法（ゾル・ゲル法、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition）法などを含む）、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などを適用することができる。 The method for forming the ferroelectric layer 34a can be selected as appropriate depending on the material, and includes, for example, a solution coating method (including a sol-gel method and a MOD (Metal Organic Decomposition) method), a sputtering method, and the like. The CVD method, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, etc. can be applied.

次いで、図１３に示すように、強誘電体層３４ａ上に第２電極３６ａを形成する。第２電極３６ａの成膜方法としては、その材質に応じて適宜選択が可能であるが、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法が挙げられる。その後、所定のパターンのレジスト層Ｒ１を第２電極３６ａ上に形成し、このレジスト層Ｒ１をマスクとして、フォトリソグラフィ法によりパターニングを行なう。これにより、第２の配向制御層１１２上に設けられた第１電極３２と、第１電極３２上に設けられた強誘電体層３４と、強誘電体層３４上に設けられた第２電極３６とを有する、スタック型の強誘電体キャパシタ３０が得られる（図１参照）。以上の工程により強誘電体メモリ１００を製造することができる。 Next, as shown in FIG. 13, the second electrode 36a is formed on the ferroelectric layer 34a. A method for forming the second electrode 36a can be appropriately selected according to the material of the second electrode 36a, and examples thereof include a sputtering method and a CVD method. Thereafter, a resist layer R1 having a predetermined pattern is formed on the second electrode 36a, and patterning is performed by photolithography using the resist layer R1 as a mask. Accordingly, the first electrode 32 provided on the second orientation control layer 112, the ferroelectric layer 34 provided on the first electrode 32, and the second electrode provided on the ferroelectric layer 34 36 is obtained (see FIG. 1). The ferroelectric memory 100 can be manufactured through the above steps.

本実施の形態の強誘電体メモリ１００の製造方法によれば、結晶配向性に優れた第１の配向制御層１２を形成することができる。また、この第１の配向制御層１２の上面に第２の配向制御層１１２を形成することによって、結晶配向性にさらに優れた第２の配向制御層１１２を形成することができる。 According to the method for manufacturing the ferroelectric memory 100 of the present embodiment, the first orientation control layer 12 having excellent crystal orientation can be formed. Further, by forming the second orientation control layer 112 on the upper surface of the first orientation control layer 12, the second orientation control layer 112 having further excellent crystal orientation can be formed.

このような第２の配向制御層１１２を形成することにより、その上面に形成された第１電極３２ａおよび強誘電体層３４ａの結晶配向を良好にして、強誘電体メモリ１００のヒステリシス特性を向上させることができる。 By forming the second orientation control layer 112 as described above, the crystal orientation of the first electrode 32a and the ferroelectric layer 34a formed on the upper surface thereof is improved, and the hysteresis characteristics of the ferroelectric memory 100 are improved. Can be made.

３．変形例
以下に、本実施の形態の変形例にかかる強誘電体メモリ２００について図面を参照しながら説明する。変形例にかかる強誘電体メモリ２００は、第３バリア層２５をさらに含む点、および第２バリア層２３を含まない点で、本実施の形態にかかる強誘電体メモリ１００と異なる。 3. Modified Example Hereinafter, a ferroelectric memory 200 according to a modified example of the present embodiment will be described with reference to the drawings. The ferroelectric memory 200 according to the modification is different from the ferroelectric memory 100 according to the present embodiment in that it further includes a third barrier layer 25 and does not include the second barrier layer 23.

３．１．強誘電体メモリ
図１４は、変形例にかかる強誘電体メモリ２００を模式的に示す断面図である。 3.1. Ferroelectric Memory FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a ferroelectric memory 200 according to a modification.

第３バリア層２５は、第２の配向制御層１１２上に形成されている。第３バリア層２５は、酸素バリア機能を有する。第３バリア層２５は、チタンの窒化物（ＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（ＴｉＡｌＮ）からなり、なかでも酸素バリア性の高いＴｉＡｌＮからなることが好ましい。このように酸素バリア性の高い第３バリア層２５を形成することによって、製造工程におけるプラグ２０の酸化を防止することもできる。また第３バリア層２５は、第１電極３２の密着性を向上させることもできる。なお第３バリア層２５は、少なくとも一部が結晶質であることができる。 The third barrier layer 25 is formed on the second orientation control layer 112. The third barrier layer 25 has an oxygen barrier function. The third barrier layer 25 is made of titanium nitride (TiN) or titanium and aluminum nitride (TiAlN), and is preferably made of TiAlN having a high oxygen barrier property. By forming the third barrier layer 25 having a high oxygen barrier property in this manner, the oxidation of the plug 20 in the manufacturing process can be prevented. The third barrier layer 25 can also improve the adhesion of the first electrode 32. The third barrier layer 25 may be at least partially crystalline.

強誘電体メモリ２００の他の構成については、上述した強誘電体メモリ１００と同様であるので説明を省略する。 Since the other configuration of the ferroelectric memory 200 is the same as that of the ferroelectric memory 100 described above, the description thereof is omitted.

変形例にかかる強誘電体メモリ２００によれば、第３バリア層２５は、第２の配向制御層１１２上に形成されているため、その材質が結晶質である場合に第２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。変形例にかかる強誘電体メモリ２００によれば、第２の配向制御層１１２および第３バリア層２５は、ともにチタンの窒化物またはチタンおよびアルミニウムの窒化物であるため、（１１１）配向を有することができる。即ち、第２の配向制御層１１２が良好な結晶質の（１１１）配向を有することにより、第３バリア層２５についても良好な結晶質の（１１１）配向にすることができる。 According to the ferroelectric memory 200 according to the modified example, since the third barrier layer 25 is formed on the second orientation control layer 112, the second orientation control layer is formed when the material thereof is crystalline. Under the influence of the crystal orientation of 112, the second orientation control layer 112 can have the same orientation. According to the ferroelectric memory 200 according to the modified example, the second orientation control layer 112 and the third barrier layer 25 are both a nitride of titanium or a nitride of titanium and aluminum, and thus have a (111) orientation. be able to. That is, since the second orientation control layer 112 has a good crystalline (111) orientation, the third barrier layer 25 can also have a good crystalline (111) orientation.

また第１電極３２は、第３バリア層２５上に形成されているため、その材質が結晶質である場合に第３バリア層２５の結晶配向の影響を受けて、第３バリア層２５と等しい配向を有することができる。即ち、第１電極３２は、第２の配向制御層１１２の上方に形成されているため、第２の配向制御層１１２の結晶配向の影響を受けて、第２の配向制御層１１２と等しい配向を有することができる。よって、第１電極３２の結晶配向を容易に（１１１）配向にすることができる。 Further, since the first electrode 32 is formed on the third barrier layer 25, the first electrode 32 is equal to the third barrier layer 25 under the influence of the crystal orientation of the third barrier layer 25 when the material is crystalline. Can have an orientation. That is, since the first electrode 32 is formed above the second orientation control layer 112, the first electrode 32 is affected by the crystal orientation of the second orientation control layer 112 and has the same orientation as the second orientation control layer 112. Can have. Therefore, the crystal orientation of the first electrode 32 can be easily set to the (111) orientation.

３．２．強誘電体メモリの製造方法
次に、図１４に示す強誘電体メモリ２００の製造方法について、図面を参照して説明する。図１５〜図１９はそれぞれ、図１４に示される強誘電体メモリ２００の一製造工程を模式的に示す断面図である。 3.2. Method for Manufacturing Ferroelectric Memory Next, a method for manufacturing the ferroelectric memory 200 shown in FIG. 14 will be described with reference to the drawings. 15 to 19 are cross-sectional views schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory 200 shown in FIG.

まず、上述した製造方法によりトランジスタ１８、絶縁層２６および導電層２０ａを成膜し、導電層２０ａおよび第１バリア層２９の一部を研磨する。絶縁層２６と導電層２０ａの研磨されやすさが同じ場合には、図１５に示すように、リセスが発生せず、平坦が表面を形成することができる。 First, the transistor 18, the insulating layer 26, and the conductive layer 20a are formed by the manufacturing method described above, and a part of the conductive layer 20a and the first barrier layer 29 is polished. In the case where the insulating layer 26 and the conductive layer 20a are easily polished, as shown in FIG. 15, a recess does not occur and a flat surface can be formed.

次に、図１６に示すように、第１の金属層１４ａを成膜し、その後窒化して第１の配向制御層１２ａを形成する。次いで図１７に示すように、第２の金属層１１４ａを成膜し、その後窒化して第２の配向制御層１１２ａを形成する。 Next, as shown in FIG. 16, a first metal layer 14a is formed and then nitrided to form a first orientation control layer 12a. Next, as shown in FIG. 17, a second metal layer 114a is formed and then nitrided to form a second orientation control layer 112a.

次に、図１８に示すように、第２の配向制御層１１２ａ上に第３バリア層２５ａを形成する。第３バリア層２５ａは、チタンの窒化物（たとえばＴｉＮ）またはチタンおよびアルミニウムの窒化物（例えばＴｉＡｌＮ）からなることができ、反応性スパッタリング等の公知の方法によって形成されることができる。ここで第３バリア層２５ａを第２の配向制御層１１２ａ上に形成することにより、第２の配向制御層１１２ａの結晶配向性を第３バリア層２５ａに反映させることができ、第３バリア層２５の結晶性を著しく向上させることができる。 Next, as shown in FIG. 18, the third barrier layer 25a is formed on the second orientation control layer 112a. The third barrier layer 25a can be made of a nitride of titanium (for example, TiN) or a nitride of titanium and aluminum (for example, TiAlN), and can be formed by a known method such as reactive sputtering. Here, by forming the third barrier layer 25a on the second orientation control layer 112a, the crystal orientation of the second orientation control layer 112a can be reflected in the third barrier layer 25a. The crystallinity of 25 can be remarkably improved.

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail. However, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. . Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

また、本実施の形態にかかる強誘電体メモリに含まれる強誘電体キャパシタ、配向制御層等の各構成およびその製造方法は、例えば、圧電素子等に含まれるキャパシタに応用することができる。 In addition, each configuration of the ferroelectric capacitor, the orientation control layer, and the like included in the ferroelectric memory according to the present embodiment and the manufacturing method thereof can be applied to, for example, a capacitor included in a piezoelectric element.

本発明の一実施の形態の強誘電体メモリを模式的に示す断面図。1 is a cross-sectional view schematically showing a ferroelectric memory according to an embodiment of the present invention. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 図１に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 1. 変形例にかかる強誘電体メモリを模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the ferroelectric memory concerning a modification. 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 14. 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 14. 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 14. 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 14. 図１４に示す強誘電体メモリの一製造工程を模式的に示す断面図。FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing one manufacturing process of the ferroelectric memory shown in FIG. 14.

Explanation of symbols

１０半導体基板、１１ゲート絶縁層、１２，１２ａ第１の配向制御層、１３ゲート導電層、１４ａ第１の金属層、１５サイドウォール絶縁層、１６素子分離領域、１７第１不純物領域、１８トランジスタ、１９第２不純物領域、２０プラグ、２０ａ導電層、２２コンタクトホール、２３、２３ａ第２バリア層、２５、２５ａ第３バリア層、２６絶縁層、２９、２９ａ第１バリア層、３０強誘電体キャパシタ、３２、３２ａ第１電極、３４、３４ａ強誘電体膜、３６、３６ａ第２電極、１００強誘電体メモリ、１１２，１１２ａ第２の配向制御層、１１４ａ第２の金属層、２００強誘電体メモリ、Ｒ１レジスト層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate, 11 Gate insulating layer, 12, 12a 1st orientation control layer, 13 Gate conductive layer, 14a 1st metal layer, 15 Side wall insulating layer, 16 Element isolation region, 17 1st impurity region, 18 transistor , 19 Second impurity region, 20 Plug, 20a Conductive layer, 22 Contact hole, 23, 23a Second barrier layer, 25, 25a Third barrier layer, 26 Insulating layer, 29, 29a First barrier layer, 30 Ferroelectric material Capacitor, 32, 32a first electrode, 34, 34a ferroelectric film, 36, 36a second electrode, 100 ferroelectric memory, 112, 112a second orientation control layer, 114a second metal layer, 200 ferroelectric Body memory, R1 resist layer

Claims

(A) forming a titanium aluminum layer as a first metal layer above the substrate;
(B) nitriding the first metal layer to form a layer made of nitride of titanium and aluminum as the first orientation control layer;
(C) forming a second metal layer containing titanium as a constituent element above the first orientation control layer;
(D) nitriding the second metal layer to form a second orientation control layer made of a nitrogen compound;
(E) forming a first electrode above the second alignment control layer;
(F) forming a ferroelectric layer above the first electrode;
(G) forming a second electrode above the ferroelectric layer;
A method for manufacturing a ferroelectric memory, comprising:

In claim 1,
In the step (b), the ferroelectric memory is manufactured by nitriding by heating the first metal layer in an atmosphere containing nitrogen.

In claim 1 or 2,
In the step (c), a titanium layer is formed as the second metal layer,
In the step (d), a ferroelectric memory manufacturing method, wherein a layer made of titanium nitride is formed as the second orientation control layer.

In claim 1 or 2,
In the step (c), a titanium aluminum layer is formed as the second metal layer,
In the step (d), a ferroelectric memory manufacturing method, wherein a layer made of nitride of titanium and aluminum is formed as the second orientation control layer.

In any of claims 1 to 4,
In the step (d), the ferroelectric memory is nitrided by heating the second metal layer in an atmosphere containing nitrogen.

In any of claims 1 to 5,
Prior to the step (a), a plasma of an ammonia gas is excited to irradiate the surface of the formation region of the first metal layer with the plasma.

In any one of Claims 1 thru | or 6.
A method for manufacturing a ferroelectric memory, further comprising a step of forming a barrier layer above the second alignment control layer between the steps (d) and (e).

In claim 7,
The method for manufacturing a ferroelectric memory, wherein the barrier layer is a nitride of titanium or a nitride of titanium and aluminum.

A first orientation control layer made of titanium and aluminum nitride formed above the substrate;
A second alignment control layer made of a nitride of titanium and aluminum formed on the upper surface of the first alignment control layer;
A first electrode formed above the second orientation control layer;
A ferroelectric layer formed above the first electrode;
A second electrode formed above the ferroelectric layer;
Including a ferroelectric memory.

In claim 9,
An insulating layer;
A contact hole penetrating the insulating layer;
A conductive layer formed in the contact hole, and
The ferroelectric memory, wherein the first orientation control layer is formed above the conductive layer.

In claim 9 or 10,
A ferroelectric memory further comprising a barrier layer formed between the second alignment control layer and the first electrode.

In any of claims 9 to 11,
The first orientation control layer, the second orientation control layer, the first electrode, and the ferroelectric layer are crystalline;
A ferroelectric memory in which a part of crystals contained in the first orientation control layer and the second orientation control layer has an orientation equal to an orientation of crystals contained in the first electrode and the ferroelectric layer .

In claim 12,
A ferroelectric memory in which crystals contained in the first orientation control layer, the second orientation control layer, the first electrode, and the ferroelectric layer have a (111) orientation.

In claim 13,
A ferroelectric memory in which a (111) orientation component of a crystal contained in the second orientation control layer is greater than a (111) orientation component of a crystal contained in the first orientation control layer.

In claim 11,
The first orientation control layer, the second orientation control layer, the barrier layer, the first electrode, and the ferroelectric layer are crystalline;
Part of the crystals included in the first alignment control layer, the second alignment control layer, and the barrier layer has an orientation equal to the alignment of the crystals included in the first electrode and the ferroelectric layer. , Ferroelectric memory.

In claim 15 ,
A ferroelectric memory in which crystals contained in the first orientation control layer, the second orientation control layer, the barrier layer, the first electrode, and the ferroelectric layer have a (111) orientation.

In claim 16 ,
The ferroelectric memory, wherein the barrier layer is a nitride of titanium or a nitride of titanium and aluminum.

In any of claims 9 to 17 ,
A ferroelectric memory further comprising a switching transistor electrically connected to the conductive layer.